光電耦合器件中子輻照位移損傷效應試驗研究

蘇亞麗，朱勝利

（1. 西安石油大學 機械工程學院，西安 710065； 2. 西安交通大學 軟件學院，西安 710049）

0 引言

航天器在空間環境中極易受到空間高能粒子的輻射；引發的輻射效應將直接或間接影響航天器用電子元器件的性能，導致器件退化甚至失效。電子元器件的空間輻射效應包括電離總劑量效應、單粒子效應[1-2]以及位移損傷效應[3-5]。空間環境中粒子輻射的劑量是逐漸累積的，會對航天器的可靠性及使用壽命產生不可預知的影響[6]。

臨近空間的高能帶電粒子與大氣分子相互作用產生中子環境。受到中子輻射后，航天器中的部分元器件尤其是光電耦合器件會產生位移損傷效應，導致熱載流子、器件暗電流增加，載流子壽命縮短等[6-7]。因此，需要通過地面輻照試驗，得到與空間輻射環境下大致等效的器件位移損傷效應，為航天器用元器件的選型和加固設計提供參考。本文選取典型的光電耦合器件作為研究對象，分析中子輻照條件下器件的位移損傷敏感參數，得到不同中子注量下敏感參數的退化規律。

1 輻照試驗

1.1 試驗樣品

試驗樣品采用瑞普北光生產的GH302型光電耦合器件，器件結構為間接耦合，內部無信號放大電路，輸入端采用GaAs材料的紅外發光二極管，輸出端的光敏三極管采用硅材料。該器件內部結構及材料如圖1所示。

圖1 GH302光電耦合器件內部結構及材料Fig.1 Schematic diagram of structure and materials in GH302 opto-coupler

試驗之前對所有15只樣品進行編號，樣品詳細信息如表1所示。

表1 試驗樣品信息Table 1 Specifications of the photoelectric coupler samples

1.2 中子輻照源

選取西北核技術研究所的中子脈沖反應堆作為輻照源。模擬輻照試驗中，依據GJB 33/19—2011[9]，選擇1 MeV等效中子進行輻照，n/γ比為5×109n/cm-2rad-1，輻照總注量為 5×1011n/cm2，中子注量率不確定度小于10%。

輻照試驗中，為驗證光電耦合器件關鍵參數的退化與中子注量之間的關系，設置中子注量分別為0、1×1010、1.92×1010、5×1010、1×1011、2×1011、5×1011n/cm2，并測試對應輻照條件下器件的參數值，統計分析中子注量對光電耦合器件性能的影響規律。

1.3 電參數測試

采用原位測量法對試驗樣品的飽和壓降、電流傳輸比、擊穿電壓以及正向電壓等參數進行測試。輻照過程中樣品不加電，輻照至規定注量時，停止中子輻照，并對15只樣品分別進行電參數測試。

2 光電耦合器件位移損傷效應

2.1 發光二極管位移損傷

輻射產生的位移損傷效應使半導體材料晶格的完整性受到破壞，形成大量的輻射缺陷，造成材料物理性質的變化。在發光二極管中，位移損傷形成的缺陷能級在禁帶中心形成一個非輻射復合中心，使導帶中的電子和價帶中的空穴發生非輻射復合，這種作用會縮短少數載流子（少子）壽命[7]。

光電耦合器受到中子輻照后，發光二極管中少子壽命為[10]

式中： τφ為受到注量為 φ的中子輻照后的少子壽命；τ0為輻照前的少子壽命；kg為發光二極管的壽命損傷系數。由式(1)可知，輻照后少子壽命 τφ與輻照注量成負相關，即少子壽命隨著輻照注量增大而呈現減小的趨勢。

發光二極管受到不同注量的中子輻照所引起的光功率退化滿足關系式[11]

式中，PL(0)和PL(φ)分別為輻照前、后發光二極管的輸出光功率。由式(2)可知，輻照注量越大，發光二極管的輸出光功率越小。

2.2 光敏三極管位移損傷

光敏三極管根據其工作原理可等效成光電二極管和三極管的組合。因此，位移損傷效應對光敏三極管的影響包括：與少子壽命有關的擴散光電流的收集、擴散長度以及光電探測器的光吸收深度；晶體管的增益老化問題。光敏晶體管對中子輻照敏感度比較高，受到中子輻照后基區少子壽命縮短，晶體管的增益隨之減小，同時集電極電流也會相應減小。中子輻射產生的載流子去除效應使集電區電阻增加，飽和壓降隨之增大[11]。

光敏晶體管的增益是少數載流子在基區的傳輸過程中實現的，其可表述為[10]

式中：μ為少子遷移率；E為基區電場；tr為載流子在基區的渡躍時間。光敏晶體管受到中子輻射后，增益發生改變[10]，

式中：hFE0為輻照前光敏晶體管的增益；hFEφ為受到注量為 φ的中子輻照后光敏晶體管的增益。由式(4)可知，輻照注量越大，光敏三極管的增益越小。

理論分析為輻照試驗提供了堅實的理論基礎，以及輻照試驗后發光二極管和光敏三極管不同損傷程度的判斷依據：當中子輻照試驗中輻照注量逐漸增大時，發光二極管輸出光功率會逐漸減小，根據輸出光功率的不同可判斷發光二極管的損傷程度；光敏三極管的作用在于電—光—電的轉換，同時實現信號放大的功能，當輻照注量逐漸增大時，光敏三極管增益會降低。

3 試驗結果及分析

試驗得到了不同編號的光電耦合晶體管器件在不同中子輻照注量下的飽和壓降、電流傳輸比、擊穿電壓以及正向電壓特性的變化，并對數據進行了統計。

3.1 飽和壓降隨輻照注量的變化

當三極管中的發射結和集電結均為正偏時，晶體管處于飽和狀態，集電極與發射極之間的電壓降稱為飽和壓降。圖2給出了試驗中編號為1083、1113、1170的3只器件的飽和壓降隨中子輻照注量的變化。由圖可以看出，隨著輻照注量增大，器件的飽和壓降均呈現增大的趨勢，在最大輻照注量時飽和壓降達到最高值。

圖2 不同器件飽和壓降隨中子輻照注量的變化Fig.2 The saturation voltage drop of three different types of devices against the fluence of neutron irradiation

從其他器件的輻照試驗數據來看，不同廠家、不同型號光電耦合器件的飽和壓降都有同樣的變化規律。如圖3所示：對試驗樣品按照同樣的方法進行輻照試驗，并對試驗數據進行統計分析，發現其變化規律與圖2基本相同。即隨著輻照注量的增大，同一器件的飽和壓降會逐漸增大，在輻照注量達到試驗中的最大數值時，器件的飽和壓降達到最大值。

圖3 不同器件的飽和壓降隨輻照注量的變化Fig.3 The saturation pressure drop of different types of devices against the fluence of neutron irradiation

由2.2節的位移損傷效應分析可知，受到中子輻射后，隨著輻照注量的增大，光敏晶體管的增益會減小。在輻照試驗中則體現為，隨著中子輻照注量逐漸增大，集電極電流也會相應減小，導致飽和壓降增大。

3.2 電流傳輸比隨輻照注量的變化

電流傳輸比（CTR）是指光電耦合器輸出管的工作電壓為恒定值時，輸出電流與發光二極管的正向電流之比，可用來衡量光電耦合器件的增益。在輻照試驗中，測量得到不同型號器件樣品的電流傳輸比，統計數據如圖4、圖5所示。

圖4 編號為1083、1113及1170的器件電流傳輸比隨輻照注量的變化Fig.4 The current transmission ratio of #1083, #1013 and#1170 devices against the fluence of neutron irradiation

圖5 GH302光耦器件電流傳輸比輻照后的退化情況Fig.5 The current transmission ratio of different types of devices produced by the same manufacturer

分析圖4和圖5可得，光電耦合器件在不同輻照注量下的電流傳輸比具有如下特點：隨著輻照注量的增加，電流傳輸比呈現下降趨勢；在無輻照條件下，不同器件之間的電流傳輸比差別較大，但隨著輻照注量的增加差別逐漸縮小，當輻照注量達到最大值5×1011n/cm2時，差距縮至比較接近。

研究表明，當光電耦合器件處于輻射環境中時，高能輻射粒子進入半導體材料，產生位移損傷效應，形成大量間隙原子-空位對，直到傳遞的能量低于晶格原子的位移閾值能量[12]。因此，當中子輻照注量增大時，器件中形成的間隙原子-空位對數量增加，電流傳輸比會明顯降低。

受到中子輻照后，光電耦合器件發生位移損傷效應：在發光二極管中，位移損傷形成的缺陷能級在禁帶中心形成一個非輻射復合中心；在光敏三極管中，輻照注量越大，光敏三極管的增益越小，導致了電流傳輸比的下降。

3.3 擊穿電壓隨輻照注量的變化

擊穿電壓是衡量PN結可靠性與使用范圍的一個重要參數，在PN結的其他參數不變的情況下，擊穿電壓的值越高越好。圖6為本次試驗中不同編號的光電耦合器件擊穿電壓隨輻照注量的變化。

從圖6可以看出：不同型號光電耦合器件的擊穿電壓隨中子輻照注量的增大均呈現增大的趨勢；當輻照注量達到最大值5×1011n/cm2時，擊穿電壓值亦達到最大。分析可知，當器件受到中子輻照時，位移損傷效應使器件的集電區電阻隨輻照注量的增加而增大，導致器件的擊穿電壓增大。

圖6 不同型號器件的擊穿電壓隨輻照注量的變化Fig.6 The breakdown voltage of different types of devices against amount of irradiation

3.4 正向電壓隨輻照注量的變化

當電源的極性與器件的極性連接相同時，電壓為正向電壓。對輻照試驗中所有器件正向電壓的變化數據進行統計分析，其結果如圖7所示。

圖7 正向電壓隨輻照注量的變化Fig.7 The change of forward voltage vs.the fluence

由圖可見，不同器件的正向電壓會隨中子輻照注量的不同而變化，同一光電耦合器件的正向電壓會隨輻照注量增大而減小，但變化幅度在mV量級。分析可知，受到中子輻照后，發光二極管產生位移損傷效應形成的缺陷能級在禁帶中心形成一個非輻射復合中心，使導帶中的電子和價帶中的空穴發生非輻射復合，這種作用會降低光電耦合器件的正向電壓。

4 結束語

本文對光電耦合器件進行地面中子輻照模擬試驗，旨在獲得航天器上光電耦合器件受到輻射后的等效損傷狀況。模擬試驗結果表明，受到不同注量的中子輻照后，產生的位移損傷效應導致光電耦合器件的電流傳輸比出現不同程度的退化。此外，光電耦合器件的飽和壓降、擊穿電壓及正向電壓也受位移損傷效應的影響出現不同程度的變化。本研究可為航天器用電子元器件尤其是光電耦合器件的設計人員提供一定的參考。